È qualcosa che può sembrare una magia. Quando voli con un drone sei perfettamente consapevole che c’è un’enorme quantità di fisica, calcoli, software e ingegneria che va a rendere il tuo volo super divertente. Tuttavia, per alcune persone il solo far funzionare il drone non è abbastanza. Io so che sono una di quelle persone che ha bisogno di sapere esattamente cosa sta succedendo nel mio drone in modo da essere un pilota migliore e capire come risolvere i problemi se si presentano. In questo articolo andrò oltre tutti i modi in cui un drone cambia direzione sia che si tratti di su, giù, sinistra, destra, avanti, indietro, e imbardata a sinistra e imbardata a destra.
Un drone cambia direzione cambiando la velocità di rotazione di ciascuna delle sue eliche. Mentre un drone si libra, le eliche adiacenti ruotano in direzioni opposte per mantenere il drone stabile. Cambiando la velocità di ciascuno dei motori possiamo manipolare il drone nell’aria in tutte e tre le dimensioni.
Per il pilota del drone c’è molto poco da pensare su ciò che sta accadendo e possono semplicemente muovere i joystick per controllare il drone. Tuttavia, il drone sta facendo molto più lavoro perché ha bisogno di calcolare la propria accelerazione, lo slancio, l’altezza e l’altitudine, mentre combatte anche le condizioni ambientali come le correnti ascensionali e i venti orizzontali.
La fisica di mantenere un drone in aria è in realtà molto complicata.
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La fisica per mantenere un drone in aria
Nel cuore del drone c’è il controllore di volo che invia ai motori informazioni attraverso un’unità elettronica di controllo della velocità su come dovrebbero ruotare e quanto velocemente. Il controllore di volo guarderà anche i dati GPS, l’accelerazione e la direzione in cui il drone sta puntando prima di inviare le informazioni al motore in modo che rimanga in un hovering stabile in una posizione GPS fissa.
Ognuno dei motori fa girare un’elica. Le eliche sono utilizzate per la propulsione e il controllo del movimento del drone. Queste eliche sono come le alette di un ventilatore che spingono l’aria verso il suolo. Quando l’aria viene spinta verso il suolo, il drone è in grado di risucchiare se stesso nell’aria. C’è una bassa pressione che si crea sul bordo superiore e portante dell’elica, quindi il drone si risucchia letteralmente nell’aria.
Se si vuole librare il drone deve spostare tanta aria quanta ne pesa. Spostando più aria il drone salirà e se le eliche girano un po’ più lentamente e spostano meno aria il drone scenderà.
La direzione delle eliche del drone è molto importante in quanto ciascuno dei motori del drone ha bisogno di girare in direzione opposta ai motori che si trovano accanto. Questo annulla qualsiasi momento angolare e quindi il drone rimane in un posto rivolto in una direzione.
Direzione dell’elica del drone
Il mio DJI Mavic air ha quattro motori ed eliche. Il modo in cui ciascuna delle eliche gira è determinato dal motore. Ed è necessario assicurarsi che le eliche siano inserite nei motori appropriati, altrimenti il drone girerebbe senza controllo.
È facile capire da che parte deve girare il motore guardando il bordo di entrata dell’elica mentre gira nella direzione del bordo anteriore dell’elica.
Per la maggior parte dei droni la direzione dell’elica del drone per ogni motore è la seguente:
- Front Left – Motore in senso orario (CW)
- Front Right – Motore in senso antiorario (CCW)
- Back Left – Motore in senso antiorario (CCW)
- Back Right – Motore in senso orario (CW)
Ho annotato questo sulla foto del mio DJI Mavic qui sotto:
Tutti i movimenti del drone sono controllati facendo girare le eliche in una varietà di modi diversi. Per controllare i movimenti, alcune eliche vengono rallentate mentre altre vengono accelerate. A volte questo avviene insieme (come nel caso di salire o salire) e a volte avvengono in tempi diversi su lati diversi del velivolo (come nel caso del movimento in avanti e indietro).
Nella prossima sezione andrò oltre tutti i principali movimenti di un drone e illustrerò esattamente come ciascuno dei movimenti principali viene realizzato.
I principali movimenti di un drone
Volare un drone comporta, dal punto di vista del pilota, il semplice spostamento del joystick attraverso la sua gamma di movimenti. Quella semplice azione del joystick si traduce in un movimento abbastanza complicato da parte del drone. Il joystick sinistro del drone è responsabile per la salita così come l’imbardata (rotazione in senso orario o antiorario in una posizione fissa).
Il joystick sinistro
Il joystick sinistro del controller fa salire e scendere il drone e anche girare in senso orario e antiorario. Essenzialmente, sono tutte le azioni del drone dove rimane in una posizione GPS.
Su / salita
Quando si spinge verso l’alto il joystick sinistro del controller di un drone, tutte le eliche del drone aumentano la loro velocità o giri al minuto. Le rivoluzioni al minuto aumentano e questo genera una maggiore spinta verso l’alto, spostando più aria e costringendola verso il pavimento.
Tutte le eliche aumentano la loro velocità di rotazione.
Le eliche devono stare molto attente ad accelerare esattamente alla stessa velocità altrimenti si crea un’altra direzione nel suo movimento. Ci vuole molto perché un drone faccia girare ciascuna delle eliche esattamente al giusto numero di giri al minuto per salire e non spostarsi dalla sua posizione GPS fissa.
Scendere / scendere
Per far sì che un drone scenda in altezza avviene l’esatto contrario della salita. Cioè, ciascuna delle eliche del drone diminuisce il numero di giri al minuto. Questo essenzialmente, permette alla gravità di essere una forza maggiore della spinta generata dalle eliche.
Quando un drone sta scendendo per fermarsi ha bisogno di aumentare leggermente il numero di giri al minuto per aumentare la spinta in modo da eguagliare la forza di gravità verso la terra. In Toy Story Buzz light year viene detto che qui non sta volando, ma semplicemente cadendo con stile. Questo è esattamente ciò che fanno i droni quando scendono. Stanno semplicemente permettendo alla gravità di tirarli verso la terra, che è una forma fantasiosa e controllata di caduta.
Imbardata
L’imbardata è quando il drone gira in senso orario o antiorario mentre rimane in una posizione GPS. Cioè, il drone non si muove in avanti o indietro. Questo movimento richiede un calcolo abbastanza complicato da parte del software del drone.
Quando il drone gira in senso orario o antiorario deve controllare le eliche che sono diagonali tra loro. Se le eliche diagonali di destra ruotano più velocemente, generano una forza dovuta all’aumento del momento angolare che permette al drone di ruotare verso sinistra. Se le eliche diagonali di sinistra ruotano più velocemente, generano il movimento opposto.
Così, il movimento in senso antiorario o orario del drone è causato dalle eliche diagonalmente opposte tra loro che girano più velocemente o più lentamente.
Il joystick di destra
Il joystick di destra del controller del drone è quello che ho scherzosamente chiamato il joystick del divertimento. Questo perché ti permette di zoomare il tuo drone dappertutto. La cosa bella di un drone è che non solo può muoversi in avanti o indietro, ma si può anche spostare da un lato all’altro.
L’orientamento delle eliche intorno al drone ti permette una gamma completa di movimenti sul piano orizzontale. Combinando diverse combinazioni di joystick si è anche in grado di imbardare e muoversi allo stesso tempo. La combinazione di diversi movimenti è ancora tutta fatta dal minuscolo controllo che il software ha sui giri al minuto che ogni motore sta girando.
Tutti i movimenti del joystick di destra creano un aumento o una profonda piega nella velocità di rotazione delle eliche che sono una accanto all’altra. Nelle sezioni che seguono parleremo di ciò a cui è correlato ciascuno dei movimenti.
Sinistra
Se il drone vuole spostarsi a sinistra per corrispondere allo spostamento del joystick a sinistra, le eliche di destra girano più velocemente di quelle di sinistra.
Questo fa sì che il lato sinistro del drone si abbassi leggermente mentre il lato destro si alza leggermente. La spinta complessiva dei rotori rimane la stessa e questo permette al drone di rimanere ad un’altitudine fissa, ma la leggera differenza tra il lato sinistro e destro dei rotori del drone provoca la deriva del drone verso sinistra.
Destra
Lo spostamento del drone verso destra spostando il joystick verso destra fa sì che le eliche di sinistra aumentino in termini di numero di giri al minuto del motore e che le eliche di destra del drone si riducano leggermente.
Come nel caso dello spostamento a sinistra, questo fa sì che il lato destro del drone si abbassi leggermente mentre si alza il bordo sinistro del drone. La spinta complessiva dei motori rimane la stessa e questo permette al drone di mantenere un’altitudine fissa.
In avanti
Per muovere un drone in avanti, il bordo anteriore del drone deve abbassarsi leggermente mentre la parte posteriore del drone si alza.
Questo si ottiene abbassando i giri al minuto dei motori anteriori e alzando quelli posteriori. Questa differenza di giri dell’elica fa sì che il drone si muova in avanti.
Indietro
Per muovere il drone all’indietro il bordo posteriore del drone deve abbassarsi leggermente mentre il bordo anteriore del drone si alza leggermente. Noterai che questo è l’esatto opposto del movimento in avanti.
Per ognuno dei movimenti del joystick destro potrete osservare da che parte si inclina il drone per ottenere il movimento. A volte, in particolare in ambienti con molto vento, e muovendosi molto rapidamente il drone non manterrà molto bene la sua posizione verticale.
Sì.
Ho notato che quando muovo il mio drone all’indietro molto rapidamente ad un’altitudine relativamente alta, il drone semplicemente scende in altezza. Quindi i calcoli non sono perfetti ma possono essere facilmente messi a punto fornendo un trim manuale durante il volo.
Un semplice diagramma per tutti i movimenti del drone
Qui c’è un semplice diagramma per ogni movimento del drone che dimostra come ognuno dei rotori si muove mentre esegue ognuno dei movimenti discussi sopra. Cioè, su, giù, in senso orario, antiorario, avanti, indietro, a sinistra e a destra.
Nel diagramma di cui sopra le eliche che girano più velocemente durante ciascuno dei movimenti è evidenziato con un più rosso. Il joystick di sinistra è mostrato sul lato sinistro mentre i movimenti del joystick di destra sono mostrati sul lato destro. Si prega di notare che se il drone sta mantenendo un’altezza costante, le altre eliche girano ad un ritmo leggermente ridotto per non cambiare la spinta complessiva che il drone sta producendo.
Tutte queste combinazioni sono sufficienti per muovere il drone completamente nello spazio 3D.
Altre cose che il drone sta facendo.
Un drone sta anche facendo un sacco di calcoli fantasiosi per mantenersi in un modello di volo stabile. Il drone si basa su tutta una serie di sensori diversi che lavorano insieme per fornire informazioni alla scheda del microcontrollore che poi è in grado di mantenere il drone in una posizione stabile.
Alcuni droni non sono in grado di librarsi automaticamente o di mantenere un’altitudine stabile e questo perché non hanno alcuni dei componenti necessari per fare questi calcoli.
La gamma di sensori che sono in un drone include:
- GPS – questo ottiene le coordinate del drone individuando la sua posizione rispetto a un certo numero di satelliti che sono in orbita geostazionaria sopra la terra.
- Barometro – un barometro rileva la pressione e permette al drone di calcolare indirettamente la sua altezza. Più alto è il drone più bassa è la pressione dell’aria.
- Magnetometro – questo rileva il campo magnetico terrestre ed è in grado di calcolare l’orientamento del drone rispetto al campo magnetico terrestre. Questo è essenzialmente la bussola del drone. È anche una delle cose che devono essere calibrate regolarmente soprattutto se avete viaggiato una discreta distanza per far volare il vostro drone.
- Accelerometro – misura l’accelerazione del drone ma è principalmente utilizzato per conoscere la direzione in cui la gravità sta tirando il drone.
- Il giroscopio – un giroscopio fornisce la velocità angolare del drone e viene utilizzato per calcolare il suo orientamento in un ambiente 3D.
Questi sensori forniscono costantemente informazioni all’unità di controllo che viene utilizzata per determinare la velocità di rotazione delle eliche. I droni usano un controller PID per capire come muovere il drone in uno spazio 3D.
Controllori PID
PID sta per Proporzionale, Integrale, Derivativo e può essere sintonizzato su una serie di software per droni. Non fatevi ingannare dal nome di questi guadagni che sono in realtà solo un modo elegante per dire quanto segue:
- P guarda l’errore attuale – se l’impostazione corrente è lontana dal punto stabilito, l’impostazione P spingerà per mantenerla vicina al punto stabilito. Più lontano è, più forte spingerà.
- I è la conoscenza acquisita dagli errori passati – questo guarda agli errori passati (causati da continue forze esterne) e li contrasterà.
- D è una previsione degli errori futuri – come P inizia a spingere il valore vicino al set point il valore D vi impedirà di andare in eccesso in modo massiccio.
L’effetto di ogni parametro PID
Come inizierai a giocare con i valori PID del tuo drone noterai che ogni valore influenza il drone in modi diversi. Diamo un’occhiata ad ogni valore in un po’ più di valore.
P Guadagno
Il valore P (noto anche come valore di guadagno – è uno degli aspetti più importanti della regolazione del volo di un drone.
Il valore determina quanto duramente il drone dovrebbe lavorare per correggere se stesso per raggiungere il percorso di volo desiderato (controllato dalla trasmissione del controller). Può essere sia troppo alto che troppo basso:
Troppo alto e il drone oscillerà. Questo è sintomatico di una sovracorrezione aggressiva da parte del drone e si vedranno delle oscillazioni ad alta frequenza.
Troppo alto e il drone oscillerà.
Troppo basso e l’elicottero si sentirà come se fosse lento a rispondere e si può anche sentire i motori girare lentamente.
Per trovare un buon valore di p dovresti aumentare gradualmente il valore di P fino a quando il drone inizia ad oscillare e poi impostare questo valore al 50%.
I guadagno
I gain è l’impostazione che determina quanto duramente il drone dovrebbe rispondere a forze esterne – come mantenere la sua posizione nel vento o a causa di un fuori centro di massa (abbastanza facilmente causato da aggiornare i componenti del tuo drone.
Troppo alto e il drone si sentirà poco reattivo
Troppo basso e ti troverai a dover correggere manualmente il modello di volo del tuo drone.
Vuoi lasciare il valore I più basso possibile senza dover correggere manualmente il modello di volo.
Guadagno D
Il guadagno D è come un ammortizzatore per il valore P.
Se il valore D è troppo basso il drone non reagirà abbastanza rapidamente.
Se il valore D è troppo alto il drone oscillerà con rapide oscillazioni di piccola ampiezza. Può anche diminuire la risposta del quad e causare una sensazione di lentezza del drone.
Aumentare il guadagno D fino a quando il drone inizia ad oscillare con piccole oscillazioni rapide. Ridurre al 50% di questo valore.
Il controller PID è responsabile di mantenere il tuo drone bello e stabile. Fornisce anche cambiamenti fluidi di direzione e se state costruendo il vostro drone è così importante ottenere questa caratteristica impostata correttamente in modo che il vostro drone sia un piacere da volare e non faccia nulla alle estremità dei movimenti del joystick.
Può un drone essere programmato?
Ci sono molti droni che possono essere programmati utilizzando ciò che chiamano “waypoint”. I waypoint sono essenzialmente posizioni GPS nel cielo che fanno sì che il drone voli automaticamente attraverso questi specifici punti predefiniti che hanno una longitudine e latitudine e un’altitudine che il drone deve attraversare.
Ci sono molti waypoint e passaggi automatici del drone che possono essere scaricati online e caricati di nascosto nel software di volo del tuo drone.
I droni sono molto spesso programmati per scopi di ricerca e se vuoi conoscere i migliori droni programmabili dai un’occhiata al mio articolo di approfondimento sui migliori droni di ricerca programmabili [guida completa] – clicca qui.
Sommario
I droni volano e cambiano direzione cambiando i giri al minuto su ciascuna delle sue quattro eliche e motori. Questo si traduce in ognuno dei quattro motori che generano una diversa quantità di spinta e quindi spostano il drone nel cielo o lo manipolano in un punto fisso come nel caso dell’imbardata (usando il momento angolare).
La cosa bella è che molto di questo software e i calcoli sono tutti automatizzati, il che significa che la tua esperienza di volo non dipende dal fatto che tu sia in grado di capire come ciascuno di questi movimenti viene creato, ma piuttosto è semplice come muovere un joystick e godersi il processo di volo.
Arrivando alla fine di questo articolo sei molto più avanti di molti dei piloti di droni che non capiscono come un drone cambia direzione. Ora che sai tutto quello che c’è da sapere su ciascuno dei movimenti sei in grado di controllare meglio il tuo drone e anticipare e risolvere eventuali problemi che possono verificarsi durante il volo.